DE19729785C2

DE19729785C2 - Kondensatoranordnung und ihr Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE19729785C2
Application number: DE19729785A
Authority: DE
Inventors: Guenter Igel
Original assignee: Micronas Semiconductor Holding AG
Current assignee: Micronas Semiconductor Holding AG
Priority date: 1997-07-11
Filing date: 1997-07-11
Publication date: 1999-08-19
Anticipated expiration: 2017-07-12
Also published as: DE19729785A1; TW387089B; US6460416B1; DE59813718D1; EP0890831B1; EP0890831A2; JPH1187196A; EP0890831A3

Description

Die Erfindung betrifft eine Kondensatoranordnung sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Kondensatoranordnung.

Aus der DE 33 10 643 ist eine Kondensatoranordnung bekannt, die aus zwei Substratscheiben besteht, auf deren Oberfläche je eine Kondensatorelektrode aufgebracht ist, welche durch eine Isolatorschicht von der jeweiligen Substratscheibe isoliert ist. Der Abstand der Kondensatorelektroden voneinander wird durch eine teilweise auf den Kondensatorelektroden aufgebrachte Abdeckschicht bestimmt, welche ein Dielektrikum des Kondensators bildet. Die beiden Substratscheiben werden mit Hilfe einer Bump-Technologie miteinander verbunden. Die Kondensatoranordnung wird als Drucksensor verwendet.

Nachteilig an dieser Kondensatoranordnung ist, daß eine abstandshaltende Schicht, nämlich die Abdeckschicht, erforderlich ist, um den Abstand zwischen den Kondensatorelektroden einzustellen und die Anordnung auf diesem Abstand zu halten. Dabei wird durch die Dicke der abstandshaltenden Schicht die Kapazität der Kondensatoranordnung eindeutig festgelegt, so daß eine Variation der Kapazität nach Aufbringen der Abdeckschicht nicht mehr möglich ist. Ferner bedingt die Variation der Dicke der abstandshaltenden Schicht eine Variation der Kapazität des Kondensators. Zudem sind zum Herstellen der abstandshaltenden Schicht zusätzliche Photolithographie- und Ätzprozesse erforderlich, durch welche das Verfahren aufwendig wird. Wenn eine dicke abstandshaltende Schicht erforderlich ist, wird das Verfahren außerdem noch dadurch erschwert, daß die Schicht nicht mit den Standardprozessen der Dünnschichttechnologie hergestellt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kondensatoranordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Kondensatoranordnung zu schaffen, dessen Kapazität über einen weiten Bereich genau einstellbar ist, und das einfacher in der Herstellung ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Kondensatoranordnung mit zwei Substratscheiben gelöst, auf deren Oberfläche je eine Kondensatorelektrode aufgebracht ist, wobei die Substratscheiben durch sich beidseitig der Kondensatorelektroden befindende Bump- Strukturen miteinander derart verbunden sind, daß die Kondensatorelektroden einander gegenüber liegen und einen Kondensator bilden, der Abstand der Kondensatorelektroden nur durch die Höhe der Bump-Strukturen festgelegt ist und auf einer Substratscheibe Meßanschlüsse zur Kapazitätsmessung angeordnet sind. Da bei der erfindungsgemäßen Kondensatoranordnung der Abstand der Kondensatorelektroden nur durch die Bump-Strukturen festgelegt ist, ist keine abstandshaltende Schicht zwischen den Kondensatorelektroden erforderlich. Somit werden zum einen Prozeßschritte zum Herstellen der abstandshaltenden Schicht eingespart. Zum anderen wird die Kapazität des Kondensators nicht durch eine solche abstandshaltende Schicht beeinflußt. Die Kapazität der Kondensatoranordnung kann durch den Abstand in einem großen Bereich auf einen festen Kapazitätswert C₀ eingestellt werden, da die Bump-Strukturen in ihrer Höhe variabel sind.

Ferner wird die Erfindung durch ein Verfahren zum Herstellen einer Kondensatoranordnung gelöst, bei dem zwei Substratscheiben, auf deren Oberfläche je eine Kondensatorelektrode und beidseitig der Kondensatorelektrode auf wenigstens eine der Substratscheiben Bump-Strukturen aufgebracht sind, mittels der Bump- Strukturen derart miteinander verbunden werden, daß die Kondensatorelektroden einander gegenüberliegen und einen Kondensator bilden, wobei während des Verbindungsprozesses zur Einstellung des Abstandes der Kondensatorelektroden ein Druck p auf eine der Substratscheiben ausgeübt und die Kapazität des Kondensators gemessen wird, und bei Erreichen eines bestimmten Kapazitätswertes C₀ der Verbindungsprozeß beendet wird.

Dadurch, daß während des Verbindungsprozesses ein Druck auf eine der Substratscheiben ausgeübt wird, kann der Abstand der Kondensatorelektroden und damit die Kapazität des Kondensators während des Verbindungsprozesses eingestellt werden. Hierzu ist kein Abstandshalter erforderlich. Zudem läßt sich die Kapazität des Kondensators über einen weiten Bereich variieren. Es kann ein gewünschter vorgegebener Kapazitätswert C₀ zuverlässig und genau eingestellt werden, weil er während des Verbindungsprozesses gemessen wird. Ist der Kapazitätswert C₀ erreicht, so wird der Verbindungsprozeß beendet. Es wird kein weiterer Druck auf die Substratscheibe ausgeübt, so daß der Abstand der Kondensatorelektroden und damit der Kapazitätswert fest bleiben. Somit ist der vorherbestimmte Kapazitätswert C₀ fest eingestellt. Die Bump-Strukturen behalten ihre Form, die sie nach Beenden des Ausübens des Druckes auf die Substratscheibe erhalten haben, fest bei. Durch die Form der Bump-Strukturen, d. h. insbesondere durch ihre Höhe zwischen den Substratscheiben, ist der Abstand der Substratscheiben und damit der Abstand der Kondensatorelektroden und somit die Kapazität des Kondensators bestimmt.

Erfindungsgemäße Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.

Eine Bump-Struktur kann aus zwei miteinander verlöteten Bump-Elementen bestehen, die auf den einander gegenüberliegenden Substratscheiben angeordnet sind. Die Bump-Strukturen können aus Metall gebildet sein, und bei dem Verbindungsprozeß kann die Temperatur im Bereich der Bump-Strukturen auf einen zur Verbindung der Bump-Elemente mit dem jeweils gegenüberliegenden Bump-Element oder mit der gegenüberliegenden Substratscheibe geeigneten Wert T₁ gebracht werden, die Temperatur, bei der der Druck p ausgeübt wird, auf einen Wert T₀ < T₁ erniedrigt werden, und bei Erreichen des Kapazitätswertes C₀ die Temperatur wieder auf die Umgebungstemperatur erniedrigt werden. Hierbei wird ausgenutzt, daß die metallischen Bump-Elemente sich bei der Temperatur T₁ miteinander verbinden, wobei sie sich selbst zentrieren, und bei der Temperatur T₀ die Bump-Struktur durch Druckeinwirkung verformbar ist, so daß sich die Höhe der Bump-Strukturen verringert. Durch Ausüben des Druckes auf eine Substratscheibe wird somit der Abstand zwischen den Kondensatorelektroden kontinuierlich kleiner.

Es ist vorteilhaft, wenn die Temperatur T₀ so gewählt ist, daß sie niedriger als die Schmelztemperatur der Bump-Struktur ist, und die Bump-Struktur dabei noch plastisch verformbar ist. Hierdurch erfolgt das Verringern des Abstandes zwischen den Substratscheiben besonders einfach. Zwei einander gegenüberliegende Bump- Elemente sind durch das Verschmelzen bereits so zentriert, daß sie in ihren jeweiligen Mittelpunkten aufeinandertreffen und in dieser Stellung leicht zusammengedrückt werden können. Beim Abkühlen auf die Umgebungstemperatur werden die Bump- Strukturen in dieser zentrierten Form, mit dem fest eingestellten Abstand der Substratscheiben fest. Der Bereich, in dem metallische Bump-Strukturen plastisch verformbar sind, liegt unterhalb der Schmelztemperatur oder der eutektischen Temperatur der entsprechenden Materialien.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Druck in den Bereichen oberhalb der Bump-Strukturen auf die Substratscheibe ausgeübt. Dann erfolgt das Einstellen des Abstandes kontinuierlich und zuverlässig. Die Kapazität kann abhängig von dem ausgeübten Druck kontinuierlich gemessen werden, und das Ausüben des Druckes bei Erreichen des Kapazitätswertes C₀ gestoppt werden.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Druck in einem mittleren Bereich der Substratscheibe auf diese ausgeübt. Dies kann für die praktische Handhabung sehr einfach sein. Es ist dabei zu berücksichtigen, daß sich die Substratscheiben durch Ausüben des Druckes verbiegen können, so daß sich der gemessene Kapazitätswert nach dem Stoppen des Druckausübens ändert. Die Genauigkeit, mit der die Kapazität eingestellt werden kann, kann dadurch verbessert werden, daß der Druck auf die Substratscheibe stufenweise für bestimmte Zeitabschnitte ausgeübt wird, und die Messung der Kapazität zwischen diesen Zeitabschnitten, wenn kein Druck auf die Substratscheibe ausgeübt wird, erfolgt.

Das Einstellen des Druckes während des Verbindungsprozesses hat überdies den Vorteil, daß die Funktion der Kapazität in Abhängigkeit des Druckes für die Kondensatoranordnung bestimmt wird. In diese Funktion gehen die Membraneigenschaften der Anordnung ein, welche durch deren Dicke, bzw. deren Dickenvariation beeinflußt werden. Somit ist bei der Verwendung der Anordnung als Drucksensor oder als Kapazitäts/Druckwandler eine sehr zuverlässige Messung möglich.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Substratscheiben aus Glas gebildet sein. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel können die Substratscheiben aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus Silizium, gebildet sein. Im letzteren Fall ist es vorteilhaft, eine Isolatorschicht zwischen der Substratscheibe und der Kondensatorelektrode anzubringen, so daß die Kondensatorelektrode von der Substratscheibe elektrisch isoliert ist. In beiden Fällen läßt sich die Kondensatoranordnung leicht und in großen Stückzahlen herstellen.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine Substratscheibe als Membran ausgebildet werden, so daß die Kondensatoranordnung einen Drucksensor bildet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kondensatoranordnung während des Verbindungsprozesses.

In Fig. 1 sind zwei einander gegenüberliegende Substratscheiben 1 dargestellt. Jede der Substratscheiben 1 ist mit einer Isolatorschicht 2 versehen, die jeweils eine Kondensatorelektrode 3 von der Substratscheibe 1 elektrisch isoliert. Beidseitig der Kondensatorelektrode 3 sind auf jede der Substratscheiben 1 Bump-Elemente 4 aufgebracht. Die beiden Substratscheiben 1 liegen einander so gegenüber, daß die Bump-Elemente 4 jeweils aufeinandertreffen, so daß sie miteinander zu einer Bump- Struktur verbunden werden können, wobei die Kondensatorelektroden 3 einen Kondensator geometrisch definieren. Die untere Substratscheibe 1 weist Meßanschlüsse 5 auf, mit denen die Kapazität des aus den Kondensatorelektroden 3 definiert Kondensators gemessen werden kann.

In Fig. 2 ist die Anordnung der Fig. 1 zu einem späteren Zeitpunkt während des Verbindungsprozesses gezeigt. Auf die obere Substratscheibe 1 wird ein Druck p ausgeübt, durch welchen die Bump-Strukturen zusammengedrückt werden. Dadurch wird gleichzeitig der Abstand d zwischen den Kondensatorelektroden verringert. An den Meßanschlüssen 5 wird gleichzeitig eine Kapazitätsmessung zur Bestimmung der Kapazität des aus den Kondensatorelektroden 3 gebildeten Kondensators durchgeführt. Hierdurch wird die Kapazität der Kondensatoranordnung bestimmt. Wenn ein vorgegebener Kapazitätswert C₀ erreicht ist, wird der Abstand d zwischen den Kondensatorelektroden 3 nicht mehr verringert; d. h. es wird kein weiterer Druck p auf die obere Substratscheibe 1 ausgeübt.

In der erfindungsgemäßen Anordnung können die Substratscheiben 1 aus Glas oder aus einem Halbleitermaterial gebildet sein. Wenn als Halbleitermaterial Silizium verwendet wird, kann eine Isolatorschicht aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid verwendet werden. Die Kondensatorelektroden sind typischerweise aus Metall, insbesondere Gold, Aluminium, die Bump-Strukturen aus Molybdän, Nickel, Gold, Blei, Zinn und deren Kombination gebildet. Die Bump-Strukturen können dabei aus verschiedenen Materialschichten zusammengesetzt sein, wobei die Schmelztemperaturen verschieden sein können. Dann kann das Zusammendrücken der Bump-Strukturen beispielsweise gezielt nur in der oberen Schicht erfolgen. Die Kondensatorvorrichtung kann als Drucksensor verwendet werden. Dabei werden die Eigenschaften des Drucksensors insbesondere durch die Dicke der Substratscheibe 1 bestimmt, welche als Membran wirkt.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben. Die Substratscheiben 1 werden, wie in Fig. 1 gezeigt, einander gegenüberliegend angeordnet, so daß die Bump-Elemente 4 aufeinandertreffen und die Kondensatorelektroden 3 einander zur Bildung eines Kondensators gegenüberliegen. Die Kondensatoranordnung wird im Bereich der Bump-Elemente 4 auf eine für den Verbindungsprozeß erforderliche Temperatur T₁ gebracht. Wenn die Bump-Elemente 4 aus Metall bestehen, können sie miteinander verlötet werden. Für die Löttemperatur wird die Temperatur T₁ so gewählt, daß sie oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls liegt, so daß die Bump-Elemente 4 miteinander verschmelzen. Danach wird die Temperatur auf einen Wert T₀ unterhalb des Schmelzpunktes abgekühlt, bei dem die Bump-Strukturen plastisch verformbar sind. Dann wird, wie in Fig. 2 gezeigt, ein Druck p auf die obere Substratscheibe 1 ausgeübt. Dadurch werden die Bump- Strukturen zusammengedrückt und der Abstand d der Kondensatorelektrode zueinander verringert. Wenn, wie im Beispiel in Fig. 2, der Druck p auf den mittleren Bereich der oberen Substratscheibe 1 ausgeübt wird, ist zu berücksichtigen, daß sich die obere Substratscheibe 1 aufgrund der Druckeinwirkung verformen kann. Dadurch ändert sich die Kapazität des durch die Kondensatorelektroden 3 gebildeten Kondensators, nachdem das Ausüben des Druckes p gestoppt wird. In diesem Fall wird der Druck p auf die obere Substratscheibe 1 stufenweise, für bestimmte Zeitabschnitte ausgeübt. Die Messung der Kapazität erfolgt kontinuierlich während des gesamten Verbindungsprozesses, einschließlich der plastischen Verformung. Dabei kann auch der Druck zwischenzeitlich weggenommen werden, um den Kapazitätswert C₀ zu ermitteln.

Claims

1. Kondensatoranordnung mit zwei Substratscheiben (1), auf deren Oberfläche je eine Kondensatorelektrode (3) aufgebracht ist, wobei die Substratscheiben (1) durch sich beidseitig der Kondensatorelektroden (3) befindende Bump-Strukturen miteinander derart verbunden sind, daß die Kondensatorelektroden (3) einander gegenüberliegen und einen Kondensator bilden, der Abstand d der Kondensatorelektroden (3) nur durch die Höhe der Bump-Strukturen festgelegt ist und auf einer Substratscheibe (1) Meßanschlüsse (5) zur Kapazitätsmessung angeordnet sind.

2. Kondensatorstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bump- Struktur aus zwei miteinander verlöteten Bump-Elementen (4) besteht, die auf den einander gegenüberliegenden Substratscheiben angeordnet sind.

3. Kondensatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratscheiben (1) aus Glas gebildet sind.

4. Kondensatoranordnung nach einem Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratscheiben (1) aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus Silizium, gebildet sind.

5. Kondensatoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Substratscheibe (1) als Membran ausgebildet ist, so daß die Kondensatoranordnung einen Drucksensor bildet.

6. Verfahren zum Herstellen einer Kondensatoranordnung, bei dem zwei Substratscheiben (1), auf deren Oberfläche je eine Kondensatorelektrode (3) und beidseitig der Kondensatorelektrode (3) auf wenigstens einer der Substratscheiben Bump-Strukturen aufgebracht sind, mittels der Bump- Strukturen derart miteinander verbunden werden, daß die Kondensatorelektroden (3) einander gegenüberliegen und einen Kondensator bilden, wobei während des Verbindungsprozesses zur Einstellung des Abstandes d der Kondensatorelektroden (3) ein Druck p auf eine der Substratscheiben (1) ausgeübt und die Kapazität des Kondensators gemessen wird, und bei Erreichen eines bestimmten Kapazitätswertes C₀ der Verbindungsprozeß beendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bump-Strukturen aus Metall gebildet sind, und bei dem Verbindungsprozeß die Temperatur im Bereich der Bump-Strukturen auf einen zur Verbindung der Bump-Elemente (4) mit dem jeweils gegenüberliegenden Bump-Element (4) oder mit der gegenüberliegenden Substratscheibe (1) geeigneten Wert T₁ gebracht wird, die Temperatur, bei der der Druck p ausgeübt wird, auf einen Wert T₀ < T₁ erniedrigt wird, und bei Erreichen des Kapazitätswertes C₀ die Temperatur wieder auf die Umgebungstemperatur erniedrigt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur T₀ so gewählt wird, daß sie niedriger als die Schmelztemperatur der Bump- Struktur ist, und daß die Bump-Struktur dabei noch plastisch verformbar ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck p in den Bereichen oberhalb der Bump-Strukturen auf die Substratscheibe (1) ausgeübt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität abhängig von dem ausgeübten Druck p kontinuierlich gemessen wird, und das Ausüben des Druckes p bei Erreichen des Kapazitätswertes C₀ gestoppt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck p in einem mittleren Bereich der Substratscheibe (1) auf diese ausgeübt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck p auf die Substratscheibe (1) stufenweise, für bestimmte Zeitabschnitte ausgeübt wird, und die Messung der Kapazität zwischen diesen Zeitabschnitten, wenn kein Druck p auf die Substratscheibe (1) ausgeübt wird, erfolgt.